FPGA片上可编程系统设计概述资料

概述--FPGA原理（查找表技术）
查找表（Look-Up-Table）简称为LUT，LUT本质上 就是一个RAM。 目前FPGA中多使用4输入的LUT，所以每一个LUT 可以看成一个有4位地址线的 的RAM。 当用户通过原理图或HDL语言描述了一个逻辑电路 以后，PLD/FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的所有 可能结果，并把真值表（即结果）事先写入RAM，这样 ，每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进 行查表，找出地址对应的内容，然后输出即可。
概述--FPGA原理（四输入查找表结构）
LUT也称为函数发生器(Function generator,FG) 其功能被输入的数目限制，而不是被复 杂性所限； 贯穿LUT的时延是固定的；
Combinatorial Logic
A B C D Z
0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0
220-nm
一、概述—新产品
1. 采用28nm的第7代FPGA产品已经上市。
一、概述—新产品
2. 嵌入ARM的Zynq™-7000 系列FPGA Zynq™-7000 系列是 Xilinx 推出的首款可扩展式处理 平台 (EPP)。该新型产品将业界标准 ARM双核 Cortex-A9 MPCore™ 处理系统与 Xilinx 一体化 28nm 可编程逻辑架 构整合在一起。 这种以处理器为核心的架构不但能够实现 FPGA 的高 度灵活性和可扩展性，同时还能带来类似于 ASIC 的高性 能和低功耗，以及 ASSP 的易用性。
一、概述—新产品
ARM双核硬核处理器
先进的AXI4接口规范
提供外设 控制器 可编程逻辑 单元, DSP Slice, BRAM
集成了ADC转换器
PCI-E控制器
概述--FPGA原理（查找表技术）
FPGA是在PAL、GAL、EPLD、CPLD等可编程器件 的基础上进一步发展起来的，它是作为ASIC领域中的一 种半定制电路而出现的，即解决了定制电路的不足，又 克服了原有可编程器件门电路有限的缺点。 由于FPGA需要被反复烧写，它实现组合逻辑的基本 结构不可能像ASIC那样通过固定的与非门来完成，而只 能采用一种易于反复配置的结构。 查找表可以很好地满足这一要求，目前主流FPGA都 采用了基于SRAM工艺的查找表结构，也有一些军品和 宇航级FPGA采用Flash或熔丝/反熔丝工艺查找表结构。
一、概述-FPGA市场份额
Xilinx Altera 是世界可编程平台领导厂商
一、概述--应用领域
应用： 航空航天/军用产品 汽车 广播 消费类 数据处理/存储 工业/科技/医疗（ISM） 有线 无线
一、概述--应用领域
一、概述--主要发展例程(Xilinx)
1984年 Ross Freeman、Bernie Vonderschmitt 和 Jim Barnett 创立了 Xilinx。 1985 年 Xilinx 推出了它的第一款产品 - XC2064。 1991年 推出 XC4000™ 系列 FPGA。 1998年 推出 Virtex®™ FPGA 系列。 2002年 推出 CoolRunner-II 系列产品。 2003年 推出 Spartan®™-3 系列产品。 2006年 Xilinx 推出Virtex-5 系列的 FPGA。 2009年 Xilinx 推出Spartan-6和Virtex-6新一代 FPGA。 2011年 Xilinx 推出第7代FPGA系列产品,统一架构。
FPGA数字逻辑系统设计
本课程的主要内容
• 一、概述 • 二、FPGA硬件资源及工作原理
• • • • • • 2.1 时钟资源和时钟 2.2 IO资源（FPGA的封装） 2.3 逻辑资源 2.4 数字信号处理单元工作原理 2.5 存储器资源 2.6 高速串行接口
• • • •
三、硬件描述语言-Verilog语言 四、基于ISE软件FPGA设计流程 五、基于FPGA的数字可编程系统设计 六、实验
一、概述
• 加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配 置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片， 内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。FPGA的编程 无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程 器即可。当需要修改FPGA功能时，只需更换或重新烧写 EPROM即可。这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产 生不同的电路功能。因此，FPGA的使用非常灵活。
集成开发环境
数字信号处 理开发工具
一、概述 --- Xilinx公司软件平台介绍ISE Foundation软件
ISE Foundation软件是Xilinx公司推出的FPGA/CPLD 集成开发环境，不仅包括逻辑设计所需的一切，还具有 简便易用的内置式工具和向导，使得I/O分配、功耗分 析、时序驱动设计收敛、HDL仿真等关键步骤变得容易 而直观。
Virtex-6 FPGAs Spartan-6 FPGAs
760K Logic Cell Device
公共资源
LUT-6 CLB 块RAM DSP Slices 高性能时钟
150K Logic Cell Device
FIFO 逻辑
三模式EMAC 系统监控器
*Optimized for target application in each family
并行 I/O
HSS 收发器* PCIe® 接口
硬核存储器控制器
3.3 V兼容的I/O
Basic Architecture 21
一、概述 --- Xilinx配置FPGA的存储 器--PROM产品
Xilinx公司的Platform Flash PROM能为所有型号的 Xilinx FPGA提供非易失性存储。 全系列PROM的容量范围为1Mbit到256Mbit，兼容 任何一款Xilinx的FPGA芯片，具备完整的工业温度特 性， 支持IEEE1149.1所定义的JTAG边界扫描协议。 PROM芯片可以分成3.3V核电压的 系列和1.8V核电 压的系列两大类。
0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 . . .
A B C D
Z
1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1
概述--FPGA原理（六输入查找表结构）
4/6输入LUT实现8:1多路复用器的原理
一、概述---新一代Virtex-6和Spartan-6FPGA产 品
一、概述
FPGA（现场可编程门阵列，Field－Programmable Gate Array ）：即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可 编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路 （ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路 的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。
一、概述--芯片工艺的演进
Virtex-7 28-nm Virtex-6 Virtex-5
40-nm
65-nm
90-nm
Virtex-4
Virtex-II Pro Virtex-II Virtex-E Virtex
第一代 第二代 第三代 第四代 第五代 第六代 第七代
130-nm 150-nm
180-nm
一、概述
• FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的 ，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各 模块之间或模块与I/O间的联接方式，并最终决定了FPGA所能 实现的功能，FPGA允许无限次的编程。 • FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因 此，工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的 配置模式，采用不同的编程方式。 •
一、概述 --- Xilinx公司---PROM产品
串行配置
并行配置
一、概述 --- Xilinx公司软件平台介绍开发工具
ISE Design Suite涉及了FPGA设计的各个应用方面，
包括逻辑开发、数字信号处理系统以及嵌入式系统开发等
FPGA开发的主要应用领域，主要包括： 1）ISE Design Tools：集成开发工具 2） EDK：嵌入式开发套件 3）System Generator：数字信号处理开发工具
• 参考教材 • 《Verilog 数字系统设计教程》夏宇闻 北京航空航天 大学出版社 • 参考资料： • 《 Verilog HDL 语言及数字系统设计》李景华，国 防工业出版社 • 《Xilinx 可编程逻辑器件应用与系统设计》孙航电 子工业出版社 • 不同厂家、不同系列的产品在性能上和结构上会有 一定差异。在实际应用中，要认真查看相应产品的 说明书。
一、概述 --- Xilinx公司软件平台介绍-EDK软件
EDK是Xilinx公司推出的FPGA嵌入式开发工具，包 括嵌入式硬件平台开发工具（Platform Studio）、嵌入式 软件开发工具（ Platform Studio SDK）、嵌入式IBM PowerPC硬件处理器核、Xilinx MicroBlaze软处理器核、 开发所需的技术文档和IP，为设计嵌入式可编程系统提供 了全面的解决方案。
一、概述
• FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个 概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连 线（Interconnect）三个部分。 现场可编程门阵列（FPGA） 是可编程器件，与传统逻辑电路和门阵列（如PAL，GAL及 CPLD器件）相比，FPGA具有不同的结构。FPGΒιβλιοθήκη Baidu利用小型查 找表（16×1RAM）来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个 D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O， 由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基 本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到 I/O模块。
一、概述
• FPGA的基本特点 • 1）采用FPGA设计ASIC电路(专用集成电路)，用户不需要投片 生产，就能得到合用的芯片。 • 2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。 • 3）FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚。 • 4）FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风 险最小的器件之一。 • 5) FPGA采用高速CMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、 TTL电平兼容。 • 可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性 的最佳选择之一。
4）ChipScope Pro：在线逻辑分析仪工具
5）PlanAhead：用于布局和布线等设计分析工具
一、概述 --- Xilinx公司软件平台介绍ISE13.1软件平台
在线逻辑分析 仪工具
片上系统开发
约束编辑器 核生成器 FPGA物理编辑器 下载工具 仿真库编译向导 时序分析器 功耗分析器
布局布线 工具
一、概述 --- Xilinx公司软件平台介绍System Generator软件
Xilinx公司推出了简化FPGA数字处理系统的集成开 发工具System Generator，快速、简易地将DSP系统的抽 象算法转化成可综合的、可靠的硬件系统，为DSP设计 者扫清了编程的障碍。 System Genetator和Mathworks公司的Simulink实现 无缝链接，在Simulink中实现信号的建模、仿真和处理 的所有过程。
一、概述 --- Xilinx公司软件平台介绍-ChipScope Pro软件
Xilinx公司推出了在线逻辑分析仪，通过软件方式 为用户提供稳定和方便的解决方案。该在线逻辑分析仪 不仅具有逻辑分析仪的功能，而且成本低廉、操作简 单，因此具有极高的实用价值。 ChipScope Pro既可以独立使用，也可以在ISE集成 环境中使用，非常灵活，为用户提供方便和稳定的逻辑 分析解决方案，支持Spartan和Virtex全系列FPGA芯片。 ChipScope Pro将逻辑分析器、总线分析器和虚拟I/O 小型软件核直接插入到用户的设计当中，可以直接查看 任何内部信号和节点，包括嵌入式硬或软处理器。